煤的吸附性能影响因素分析

煤的吸附性能影响因素分析

薛冰

.黑龙江省煤田地质测试研究中心黑龙江哈尔滨150000

摘要：本文通过对煤层气的组分、形成原因分析了影响煤层气吸附性能的因素，为下一步开发利用煤层气资源、有效增加洁净能源供给、改变目前不合理的能源结构提供了技术指导。

关键词：吸附态；煤；影响因素

引言

煤是一种复杂的高分子多孔材料，具有不同的组成成分和孔结构。在前人的工作中，已大量研究了温度、压力、煤级、显微组分和水分含量等因素对煤吸附煤层气的影响。但是，煤对煤层气的吸附能力不仅依赖于煤的孔结构，煤的表面特性也影响其对CH4的吸附能力。因此，本文对煤层气的组分和形成原因进行概述，分析了煤层气吸附性能的影响因素，并对煤吸附性进行研究与应用展望。

1煤层气的组分和形成原因

（1）煤层气的组成。按煤层气的存储形式，可将煤层气分为吸附状态、自由状态和溶解状态。煤层气的主要成分是CH4，其余为其它烃类气体和CO2，包括煤化作用过程中生成的气体：CH4、湿气（C2H6、C3H8等）、N2、H2、H2S等。其中，CH4占93%，CO2占3%，湿气占3%，N2占1%，煤层气干燥系数占0.77～1.0。（2）煤层气形成原因。煤层气的成因具有明显的阶段性和复杂性，不同地区、不同地质背景煤层气成因类型不同。结合近期完成的实际测试数据，提出了煤层气成因分为4类：生物成因、热成因、混合成因和无机成因。

2煤层气吸附性能的影响因素

2.1煤级和煤体结构

煤的变质程度直接影响着煤的结构及化学组成，并严重制约着煤的吸附能力。在一般情况下，煤对气体吸附能力随着煤阶变化有两种趋势：吸附能力随煤阶的增加而增大；“U”型变化，即吸附量在高挥发分烟煤A阶段附近存在一个最小值。镜质体最大反射率在1.2%~4%时，吸附量随着煤化程度增加而增加。

2.2吸附膨胀应力和渗透率的关系

煤吸附气体必然会产生膨胀变形，煤粒变形向孔隙空间发展必然会受到有限空间的限制而产生一种力，即吸附膨胀应力。而煤的吸附能力越强，吸附的瓦斯越多，发生的膨胀变形越大，使渗透孔隙通道减小的越多。因此，寻找由吸附膨胀变形而滋生的吸附膨胀应力和渗透率的关系，也显得十分重要。气体在煤层中主要呈吸附态，其对煤的力学作用主要是吸附气体引起的。吸附能使煤产生膨胀变形，在约束条件下产生膨胀应力，而煤粒接触点处相当于单向受压状态，所以吸附膨胀应力与吸附膨胀变形服从Ｈｏｏｋｅ定律。

2.3孔隙结构

随着煤体结构破坏程度的增强(原生结构煤–碎裂煤–碎粒煤–糜棱煤)，胡襄煤田煤样中总孔体积先减小后增大，其孔隙率和总孔比表面积均呈高–低–高的变化规律，与总孔体积变化趋势相一致。煤吸附气体的过程中，在孔径大小允许气体分子通过的前提下，孔径越小，孔隙内表面能叠加的表面势能也越大，对气体的吸附能力也就越大，气体分子在多孔介质运移过程中，优先吸附在微孔，其后随着流体压力的增大，气体分子在较大孔隙中吸附。因此，变质程度低的煤，煤层压实、收缩尚不够强烈，结构疏松，大孔含量高，微孔、过渡孔含量相对较低，饱和吸附量也相对较低；而随着煤变质程度的增加，煤层经历了剧烈的构造应力作用(碎粒煤、糜棱煤)，微孔、过渡孔含量明显增高，随之微孔比表面积也增加，吸附性测试结果(属于焦煤)显示，吸附在其孔隙表面的煤层气含量也相对增大。

2.4温度

游离气越多，吸附气就越少，吸附作用还和温度有密切关系。实验数据显示：温度每提高1℃，煤吸附瓦斯的能力减少约7%。因为温度的增加，瓦斯的活性变高，使得煤体吸附困难，与此同时甲烷分子获取了能动性，从而离开煤体表面。

2.5有机显微组分

由各样品显微组分与吸附能力关系来看，煤的吸附能力与煤中镜质组和惰质组含量总和呈一定正相关，随着二者组分含量的增加，煤的吸附能力逐渐增强。研究表明，煤变质程度对煤吸附能力影响较大，而煤显微组分的含量又随煤变质程度变化而变化，为分析镜质组与惰质组含量对煤吸附能力的影响，必须排除煤变质程度对二者的干扰，故分别做出其随煤变质程度变化的关系。随煤变质程度的增高，煤中镜质组与惰质组含量呈阶段性变化，在Ｒo＜2．0%时，煤的吸附能力随镜质组含量升高而变大，随惰质组含量升高而变小，且随着Ｒo的增大变化速率逐渐减小，曲线斜率降低;当Ｒo＞2．0%时，镜质组含量持续升高，惰质组含量变化趋于平稳，吸附能力与镜质组相关性降低，表现出与惰质组的较好相关性。中低煤变质阶段，煤的吸附能力随镜质组含量增高而增强的规律较为明显，二者总是分别在同时取到高值和低值，说明镜质组在该阶段对煤的吸附能力影响较大，这是由于随着镜质组含量增加，储层内微孔体积变大，而煤中以甲烷为主的气体优先吸附于孔径较小的孔隙中导致。随着煤变质程度的增高，其吸附能力与惰质组含量的相关性变大，兰氏体积随惰质组含量增加而增大，这一现象与惰质组中丝质体的含量有关。丝质体是由植物的根茎叶经丝炭化作用而形成，其内多保存了植物细胞孔，可作为气体吸附空间，且亲甲烷能力强于镜质组，当含量较低时对煤的吸附能力影响不明显，随着煤变质程度升高，丝质体含量上升，进而导致煤吸附能力增强。上述分析表明，随着煤变质程度的增高，孔隙度、微孔体积与比表面积均呈现U型变化，镜质组含量升高，惰质组含量下降，孔隙形态也发生了一些变化。当煤变质程度较低时，孔隙度与比表面积较大，气体吸附空间较大，但由于该阶段储层内气体主要以游离态赋存于大中孔之中，易于扩散，且孔隙形态以开放性连通孔为主，使得其吸附能力较低;随着煤变质程度的增高，孔吸度与比表面积有所下降，但在该阶段微孔所占比例上升，镜质组含量升高，惰质组中丝质体含量亦有所上升，并伴随有墨水瓶孔的出现，使得煤样吸附能力变强，兰氏体积变大;到达高变质程度阶段，煤样孔隙与比表面积变大，微孔体积增加，惰质组含量升高，在中等变质程度出现的墨水瓶孔成为主要孔隙类型，进而导致兰氏体积变大，吸附能力增强。

3煤吸附性研究与应用展望

煤的吸附性研究现在主要集中在对气体分子如CH4、CO2、N2、O2，水分、一些伴生矿物和重金属离子，而研究目的也主要集中在了煤炭开采危险性、煤炭自燃危险性及风化速度、煤炭燃烧值降低和运输成本升高问题、煤炭燃烧后的污染，其他方面的研究相对较少。尽管煤的吸附性能与非金属矿物如沸石、膨润土、麦饭石等相比还有很多不足，并且吸附性能与煤的种类及煤阶高低、产地等因素有很大关系，但我们相信将来对于煤吸附性的研究会扩展到表面活化与钝化、煤吸附有害物质、煤中有害物质的分离等方面。总之煤的吸附性是煤各种特性中尚未完全开发利用的领域，必将成为未来研究的重要课题之一。

结语

煤的吸附能力作为影响煤层含气量的关键因素之一，直接影响到煤层气井的产能。对于煤吸附特征及其影响因素的研究，国内外研究者从煤阶角度对煤吸附能力进行了研究，认为煤阶是控制煤吸附能力的主要因素之一，但对其余因素均有不同见解。所以，对比同一盆地不同变质程度煤吸附能力控制因素及差异，对整合煤层气富集机制具有重要的科学意义和实践意义，而且对指导不同煤阶煤层气藏勘探开发理念也有十分重要的意义。

参考文献

[1]钟玲文.煤的吸附性能及影响因素[J].地球科学：中国地质大学学报，2004，29(3)：327–36.

[2]雷东记，郭晓洁．静电场对煤样吸附瓦斯的影响研究［J］．煤矿安全，2015，46(4):5－8．

[3]张健，汪志明．煤层应力对裂隙渗透率的影响［Ｊ］．中国石油大学学报，２００８，６（３２）：９２－９５.